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1、2022/8/81计算机辅助设计计算机辅助设计 天津大学计算机学院天津大学计算机学院 第一章第一章:电子系统设计概述电子系统设计概述2022/8/821.1 机电系统机电系统 1.1.1 机电系统的概念及组成机电系统的概念及组成 机电系统是机械和电气的组合系统，机电机电系统是机械和电气的组合系统，机电配合实现一定的应用功能。机电系统亦被称为配合实现一定的应用功能。机电系统亦被称为机电一体化系统。机电一体化系统。l机械部分：是系统的功能部件，包括与应用功机械部分：是系统的功能部件，包括与应用功能相关的机械设备及其连接、传动组件。能相关的机械设备及其连接、传动组件。l电气部分：是系统的动力源和控制
2、核心，包括电气部分：是系统的动力源和控制核心，包括各种电力驱动设备，以及检测、运算、操纵等各种电力驱动设备，以及检测、运算、操纵等电子控制器件。电子控制器件。2022/8/83 1.1.2 机电系统的设计机电系统的设计 系统的设计工作可分为机电一体化系统概念系统的设计工作可分为机电一体化系统概念设计到系统各个子模块的详细设计等几个阶段。设计到系统各个子模块的详细设计等几个阶段。n本课程不涉及概念设计等内容，详细设计工作则本课程不涉及概念设计等内容，详细设计工作则针对机械部分和电气部分分别展开针对机械部分和电气部分分别展开n机械部分的详细设计正是本课程前半部分的内容，机械部分的详细设计正是本课程
3、前半部分的内容，其常用的计算机辅助设计工具是其常用的计算机辅助设计工具是AUTOCAD系列系列软件。软件。n电气部分的详细设计将是本课程后半部分的内容，电气部分的详细设计将是本课程后半部分的内容，基于计算机专业的研究方向，我们的关注重点是基于计算机专业的研究方向，我们的关注重点是电气系统中与控制、检测等内容相关的部分。电气系统中与控制、检测等内容相关的部分。2022/8/841.2 电气系统基本概念电气系统基本概念1.2.1 电气、电力、电气、电力、电子电子n电气电气：电气泛指电，电气工程即电的工程。：电气泛指电，电气工程即电的工程。“电气电气”一词中的一词中的“气气”来源于对来源于对“蒸汽蒸
4、汽”一词的使用习惯。因为早期的工业动力来源一词的使用习惯。因为早期的工业动力来源于蒸汽及蒸汽机，电发明后代替蒸汽成为主于蒸汽及蒸汽机，电发明后代替蒸汽成为主要的动力源，故称之为电气。这是电气的广要的动力源，故称之为电气。这是电气的广义解释。义解释。按照学科划分，电气包含电力与电子学科。按照学科划分，电气包含电力与电子学科。2022/8/85n电力电力：电力是电气的强电部分，主要涉及电能：电力是电气的强电部分，主要涉及电能的提供（发电系统）、传输（输电系统）、变的提供（发电系统）、传输（输电系统）、变换（高低压转换设备）、使用（电动设备）。换（高低压转换设备）、使用（电动设备）。电力系统的主要工
5、作目标是提供动力。电力系统的主要工作目标是提供动力。n电子电子：电子是指电气的弱电部分，主要涉及自：电子是指电气的弱电部分，主要涉及自动控制、参数检测、数据运算、信息传输等。动控制、参数检测、数据运算、信息传输等。电子系统主要工作目标是对信息的加工、电子系统主要工作目标是对信息的加工、处理、变换、传输，提供自动或智能的检测和处理、变换、传输，提供自动或智能的检测和控制。控制。2022/8/86n电器电器：电器是指耗电类电气设备。电器是具体：电器是指耗电类电气设备。电器是具体的设备，电器可同时含有电力和电子系统。的设备，电器可同时含有电力和电子系统。学术定义：凡是根据外界特定的信号和要求，自学术
6、定义：凡是根据外界特定的信号和要求，自动或手动接通或断开电路，继续或连续地改变动或手动接通或断开电路，继续或连续地改变电路参数，实现对电路的切换、控制、保护、电路参数，实现对电路的切换、控制、保护、检测及调节的电气设备均称为电器。检测及调节的电气设备均称为电器。n电子元器件电子元器件：电子系统的组成部件：电子系统的组成部件u 电子元件：具有单一功能的基础电子零部件，电子元件：具有单一功能的基础电子零部件，如二极管、三极管、如二极管、三极管、LED灯、电阻电容等。灯、电阻电容等。u 电子器件：由若干电子元件构成的具有确定功电子器件：由若干电子元件构成的具有确定功能的电子组件，如集成电路、硅桥、能
7、的电子组件，如集成电路、硅桥、LED显示显示阵列等。阵列等。2022/8/871.2.2 电力系统与电子系统的区别电力系统与电子系统的区别 电力系统也称强电系统，电子系统也称弱电电力系统也称强电系统，电子系统也称弱电系统，它们的主要区别是：系统，它们的主要区别是：n功率、电压及电流大小不同：功率、电压及电流大小不同：u 强电功率以强电功率以KW、MW计、电压以计、电压以V、KV计，电流以计，电流以A、KA计；计；u 弱电功率以弱电功率以W、mW计，电压以计，电压以V、mV计，电流以计，电流以mA、uA计，因功率低发热小，所以弱电电路可以用计，因功率低发热小，所以弱电电路可以用印刷电路或集成电路
8、构成。印刷电路或集成电路构成。n交流频率不同：交流频率不同：u强电的频率一般是强电的频率一般是50Hz（国标）或（国标）或60Hz（美标）（美标），常称为常称为“工频工频”，意即工业用电的频率；，意即工业用电的频率；u弱电的频率往往是高频或特高频，以弱电的频率往往是高频或特高频，以KHz、MHz、GHz计。计。2022/8/881.3 电子系统设计电子系统设计 由于电子系统仅需要较小的功耗即可有效的由于电子系统仅需要较小的功耗即可有效的进行信息处理工作，性价比极高，特别适合在自进行信息处理工作，性价比极高，特别适合在自动控制、参数检测、数据运算、信息传输等领域动控制、参数检测、数据运算、信息传
9、输等领域应用，因此设计各种不同功能和性能的电子产品应用，因此设计各种不同功能和性能的电子产品一直是电子工程师们的主要工作之一。一直是电子工程师们的主要工作之一。1.3.1 电子系统设计的历史电子系统设计的历史 电子系统设计工作的历史变迁是和电子元器电子系统设计工作的历史变迁是和电子元器件的发展紧密相关的。件的发展紧密相关的。电子管电子管 晶体管晶体管 集成电路集成电路 VLSI 2022/8/89n电子管时代：电子管时代：u 1904年，英国科学家弗莱明发明的真空二极管申请年，英国科学家弗莱明发明的真空二极管申请了专利，它标志着人类历史上第一只电子管的诞生，了专利，它标志着人类历史上第一只电子
10、管的诞生，世界也从这里迈向电子时代。世界也从这里迈向电子时代。(“爱迪生效应爱迪生效应”-弗莱明弗莱明“阀阀”)u 1906年，德年，德-福雷斯特在二极管的基础上发明了三极福雷斯特在二极管的基础上发明了三极管，使电子管真正成为能广泛应用的电子器件。管，使电子管真正成为能广泛应用的电子器件。u 电子管是靠加热电阻丝放出电子束，进而对电子束电子管是靠加热电阻丝放出电子束，进而对电子束进行控制来实现各种功能的，其工作电流较大、体积进行控制来实现各种功能的，其工作电流较大、体积也较大。也较大。u 使用时电气连接一般是导线直连，机械结构固定；使用时电气连接一般是导线直连，机械结构固定；u 设计时主要是手
11、工绘制电路图，画出原理图和机械设计时主要是手工绘制电路图，画出原理图和机械安装图。安装图。2022/8/810n电子管及其典型应用：电子管及其典型应用：u 外形、电路：外形、电路：u 产品：电子管收音机、产品：电子管收音机、F 二战期间，美国军方要求宾州大学为它们设计一种以二战期间，美国军方要求宾州大学为它们设计一种以真空管取代继电器来计算炮弹弹道的机器；真空管取代继电器来计算炮弹弹道的机器；F 1946年年2月月14日，这台机器正式投入使用了，它用了日，这台机器正式投入使用了，它用了18800只真空管，占地只真空管，占地1500英尺，重约英尺，重约30吨，每小时耗吨，每小时耗电电20万千瓦。
12、运算速度每秒万千瓦。运算速度每秒5000次。次。2022/8/811n晶体管时代：晶体管时代：u 1947年年12月第一个半导体晶体管在贝尔实验室诞生，月第一个半导体晶体管在贝尔实验室诞生，电子时代的飞速发展开始了。电子时代的飞速发展开始了。u 肖克利肖克利-William Shockley(坐坐)巴丁巴丁-John Bardeen(左左)布拉坦布拉坦-Walter Brattain(右右)共同发明晶体管，共同发明晶体管，3人分享了人分享了 1956年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。u 晶体管基于半导体技术，通过晶体管基于半导体技术，通过PN结的电特性来实现结的电特性来实现导通、放大等功
13、能，其工作电流小、体积更小。导通、放大等功能，其工作电流小、体积更小。u 晶体管工作电流仅在毫安级，因此可以使用印刷电晶体管工作电流仅在毫安级，因此可以使用印刷电路板上较薄的铜线进行连接。路板上较薄的铜线进行连接。u 早期设计工具亦主要是使用手工绘图工具，画出逻早期设计工具亦主要是使用手工绘图工具，画出逻辑图纸和电路板板图。辑图纸和电路板板图。2022/8/812n晶体管及其典型应用：晶体管及其典型应用：u外形、电路：外形、电路：u 产品产品F 半导体收音机、电视机；半导体收音机、电视机；F 1954年，贝尔实验室推出全晶体管计算机；年，贝尔实验室推出全晶体管计算机；2022/8/813n集成
14、电路时代集成电路时代：u 1958年年9月月12日，德州仪器公司的工程师杰克日，德州仪器公司的工程师杰克基尔比基尔比（JackKilby）成功地把电子器件集成在一块半导体材）成功地把电子器件集成在一块半导体材料上。这一天，被视为集成电路的诞生日。料上。这一天，被视为集成电路的诞生日。u 1959年，仙童公司的罗伯特年，仙童公司的罗伯特诺伊斯诺伊斯（RobertNoyce）利用平面制造工艺来生产半导体集）利用平面制造工艺来生产半导体集成电路，基尔比、罗伊斯被认为是集成电路的共同发成电路，基尔比、罗伊斯被认为是集成电路的共同发明人。明人。u 1968年，诺伊斯同戈登年，诺伊斯同戈登摩尔（摩尔（Go
15、rdonMoore）、安）、安迪迪格鲁夫（格鲁夫（AndyGrove）一起创立了英特尔公司。）一起创立了英特尔公司。u 集成电路将晶体管、电子元件及连线统一制作在一个集成电路将晶体管、电子元件及连线统一制作在一个硅片上，体积极小，已经不可能靠手工来完成绘图工硅片上，体积极小，已经不可能靠手工来完成绘图工作，使用计算机辅助设计系统是必须的。作，使用计算机辅助设计系统是必须的。u 设计工具主要是设计工具主要是CAD软件，画出逻辑图纸和电气制作软件，画出逻辑图纸和电气制作图，制作图将被下载到专用制造装置上，通过自动化图，制作图将被下载到专用制造装置上，通过自动化生产设备完成加工。生产设备完成加工。2
16、022/8/814n集成电路产品集成电路产品：u 基本逻辑：数字逻辑门电路、寄存器基本逻辑：数字逻辑门电路、寄存器u 存储器：存储器：ROM、RAMu 中央处理器：中央处理器：CPUu u 1971年年Intel Ted Hoff型号：型号：4004 2300 晶体管晶体管2022/8/815n集成电路的规模：集成电路的规模：u SSI 小规模集成电路小规模集成电路(Small Scale Integrated circuit)u MSI 中规模集成电路中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuit)u LSI 大规模集成电路大规模集成电路(Large Scale Integrated circuit)u VLSI 超大规模集成电路超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuit)u ULSI 特大规模集成电路特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integrated circuit)u GSI 巨大规模集成电路巨大规模集成电路(Gigantic Scale Integrated circuit）u
